Multiple access protocol | Notes

📡 링크 유형: P2P, broadcast

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하나의 채널을 여러 장치(노드)가 공유할 때 누가 언제 전송할지 결정하는 분산 알고리즘

모든 노드가 동일한 채널을 함께 사용
동시에 여러 노드가 전송하면 간섭(interference), 충돌(collision) 발생

링크 종류

point-to-point 링크
- 두 장치가 전용 선로를 사용해서 연결되는 방식
- ex, Ethernet 스위치와 PC 간 전용 케이블, 전화선 기반의 PPP(Point-to-Point Protocol)
- 충돌 가능성이 없어 다중 접근 프로토콜 필요 없음
broadcast 링크
- 여러 장치가 하나의 전송 매체를 공유함
- ex, 구형 Ethernet (shared bus), Wi-Fi (무선 LAN), LTE/5G, ..
- 여러 장치가 동시에 전송되려고 하면 충돌(collision) 발생 가능

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여러 개의 노드가 하나의 전송선로(무선이든 유선이든)를 같이 사용 함
두 개 이상의 노드가 동시에 데이터를 보내면 충돌 발생함
- interference(간섭): 여러 신호가 섞여서 무슨 말인지 알 수 없게 됨
- collision(충돌): 결국 모두의 전송 실패
그 결정은 외부 시스템 없이, 채널 자체만으로 해야 함
- 분산형 알고리즘 필요
  - 누가 중앙에서 통제해주는게 아님
  - 각 노드가 스스로 판단해야 함
- 채널을 사용해서 채널 공유에 대해 소통해야 함
  - 누군가가 말하고 있는지 듣고(wait), 충돌이 나면 일정 시간 뒤 다시 시도 등
  - 따로 제어 전용 회선(out-of-band 채널)은 없음

이상적인 Multiple Access Protocol 조건 (Desiderata)

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단독 전송 시 최대 속도 보장
- 한 노드만 전송하고 싶을 때, 전체 채널 속도 R을 전부 쓸 수 있어야 함
- 예를 들어, 와이파이 채널 속도가 100Mbps고, 내가 혼자 있을 경우 그 속도를 혼자 다 누릴 수 있어야 이상적임
여러 노드 동시 전송 시 공평하게 나눠쓰기
- M개의 노드가 동시에 전송하고 싶다면, 각자 평균적으로 R/M의 속도를 가져야 함
- 즉, 공정성을 보장해야 함
- ex, 총 속도 $R = 100Mbps$ , 5명이 동시에 사용하면 각자 평균 $20Mbps$ 를 가져가는 구조
완전한 분산 시스템 (Fully Decentralized)
- 특별히 전송을 조율하는 중앙 스케줄러나 마스터 장치가 없어야 함
- 각 노드는 스스로 판단해서 전송 여부를 결정해야 함
- 또한, 클럭 동기화나 시간 슬롯 동기화 없이도 동작 가능해야 이상적
단순함 (Simplicity)
- 구현이 단순해야 함
- 복잡한 연산, 상태 추적, 시간 동기화 등이 필요 없다면 실제 장치에 구현하거나 유지보수 하기도 쉬움

MAC Protocol 세 가지 분류

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Channel Partitioning (채널 분할 방식)

공유 채널을 미리 여러 조각으로 나누고, 각 노드에게 고정적으로 조각을 배정하는 방식
TDMA(Time Division Multiple Access): 시간 단위로 나눔
FDMA(Frequency Division MA): 주파수 대역으로 나눔
CDMA(Code Division MA): 각 노드마다 코드 부여
각자 자기 조각만 사용하므로 충돌 없음, 정해진 순서에 따라 전송
유휴 시간 많을 수 있고, 낮은 트래픽 환경에선 비효율적

Random Access (랜덤 접근 방식)

채널을 나누지 않고 원하는 노드가 아무 때나 전송을 시도함
충돌 가능성이 있지만, 충돌 후 복구 메커니즘을 갖춤
ALOHA, Slotted ALOHA, CSMA/CD(Ethernet), CSMA/CA(Wi-Fi)
간단하고 분산형, 적은 노드일 때 효율적
충돌이 발생하면 재전송으로 인한 지연, 부하가 많아지만 성능 급격히 저하

Taking Turns (순서 기반 방식)

노드들이 수선대로 전송 권한을 가지며 차례로 전송하는 방식
전송할게 많은 노드는 더 오래 전송 가능
Polling: 중앙 제어 노드가 차례대로 전송해도 된다고 지목
Token Passing: 전송 권한을 담은 토큰을 노드들이 돌려가며 사용
충돌 없고, 전송할 노드가 없으면 다음 노드로 넘어감
중앙 노드 고장 시 문제, 오버헤드

📡 채널 분할

TDMA

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하나의 공유 채널을 일정한 시간 단위로 나누고, 각 노드에게 고정된 시간 슬롯을 배정해서 충돌 없이 통신하게 하는 방식

특징

하나의 라운드에는 여러 개의 시간 슬롯으로 구성됨
각 노드는 항상 정해진 시간 슬롯에만 데이터를 전송함
슬롯의 길이는 한 패킷을 전송할 수 있을 만큼으로 설정됨
슬롯마다 한 노드만 전송하므로 충돌 없음

예시

6개의 노드가 있는 LAN에서
- 슬롯 1 → 노드 1
- 슬롯 2 → 노드 2
- …
- 슬롯 6 → 노드 6
현재는 노드 1, 3, 4만 전송할 데이터가 있음
- 슬롯 2, 5, 6은 그냥 비워진 채 지나감 (idle)

장점

각 노드가 자기 슬롯만 사용하므로 충돌 없음
언제 전송할지 정해져 있어 지연 시간이 예측 가능함
시간 기반으로 모델링이 쉬워 간단한 이론적 분석이 가능함

단점

데이터 없는 노드의 슬롯도 그냥 낭비되므로 채널 효율성이 낮음
트래픽이 많은 노드는 더 많은 슬롯이 필요해도 못 받기 때문에 고정 배정이 비효율적
모든 노드의 시간 동기화가 필요

FDMA

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공유 채널의 주파수 대역을 여러 개로 나눠서, 각 노드에게 고정된 주파수 대역을 할당해 사용하는 방식

특징

전체 채널을 여러 작은 주파수 구간으로 나눔
각 노드는 자기만의 주파수 대역을 갖고, 오직 그 대역에서만 전송 가능
서로 다른 노드의 신호는 서로 다른 주파수 대역에서 존재하므로 충돌이 없음

예시

6개의 노드가 있고, 각자 고유한 주파수 대역을 배정받음
- 노드 1 → 주파수 1
- 노드 2 → 주파수 2
- …
- 노드 6 → 주파수 6
노드 1, 3, 4만 데이터가 있어서 전송 중
- 2, 5, 6번 대역은 비어있고 낭비됨 (idle)

장점

각 노드가 고유 주파수를 사용하기 때문에 충돌 없음
시간 구간에 제한받지 않고, 자기 대역 내에서 언제든 지속적 전송 가능
수신 측은 특정 주파수만 튜닝하면 되므로 간단하게 수신기 구현 가능

단점

전송할 게 없는 노드의 주파수 대역도 그냥 낭비되어 효율성이 낮음
트래픽이 많은 노드도 대역폭을 더 받지 못해 고정 할당 비효율적
대역 분리, 필터링을 위한 아날로그 장비가 필요해 하드웨어가 복잡함

📡 랜덤 접근

Random Access Protocol

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모든 노드가 채널을 자유롭게 사용할 수 있지만, 동시에 전송이 일어나면 충돌이 발생하고, 충돌을 감지하고 복구하는 규칙이 필요함

동작 방식

노드가 데이터를 보내야 할 때
- 채널 상태를 확인하지 않고 그냥 전송을 시도하거나
- 듣고 있다가 비어 있으면 전송 (CSMA)
충돌 발생 가능성 존재
- 두 노드 이상이 동시에 전송 시 신호가 섞여서 모두 전송 실패
랜덤 접근 프로토콜은 아래 두 가지를 정의해야 함
- 충돌을 어떻게 감지할 것인지
- 충돌 후 어떻게 회복할 것인지
  - ex, 일정 시간 기다렸다 재전송

충돌 특징

충돌은 무조건 프레임 전체 손실
무선에서는 충돌 감지가 어려움
- 그래서 CSMA/CA 사용

대표 프로토콜

프로토콜	설명
ALOHA	하와이대에서 개발한 최초의 랜덤 접근 방식. 그냥 전송함. 충돌률 높음.
Slotted ALOHA	시간 슬롯 도입. 슬롯 시작에만 전송 허용 → ALOHA보다 효율적
CSMA (Carrier Sense Multiple Access)	보내기 전에 채널을 먼저 “듣는다” (다른 사람이 말하는 중인지 확인)
CSMA/CD (Collision Detection)	유선 Ethernet에서 사용. 충돌을 감지하면 즉시 전송 중단
CSMA/CA (Collision Avoidance)	무선 LAN에서 사용. 충돌을 미리 피하기 위해 RTS/CTS 등 사용

장점

전송할 때마다 중앙 제어나 시간 동기화 필요 없어 간단함
소수 노드가 간헐적으로 전송할 경우(낮은 부하) 매우 효율적
노드 간 독립적으로 판단해 전송 가능하므로 분산 시스템에 적합

단점

충돌 발생 가능성 있고, 충돌 시 전체 프레임 손실됨. 재전송 필요
전송 시도가 많아질수록 충돌 확률이 높아져 부하 증가한다면 효율 급감
충돌 후 무작위 시간 기다려야 하므로 재전송 지연

Slotted ALOHA

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ALOHA에서 시간을 동기화된 슬롯으로 나누고, 노드들이 오직 슬롯의 시작 시점에서만 전송하게 해 충돌을 줄인 random access protocol

기본 가정

모든 프레임의 길이는 동일하다
시간은 일정한 크기의 슬롯으로 나뉜다 (한 슬롯 = 1프레임 전송 시간)
모든 노드는 슬롯의 시작 시점에만 전송할 수 있다
모든 노드는 슬롯 타이밍에 맞춰 동기화되어 있다
동일 슬롯에서 2개 이상 전송되면 충돌 발생 → 모든 프레임 발생

동작 방식

노드가 새로운 프레임을 갖게 되면, 다음 슬롯의 시작에서 전송됨
만약 그 슬롯에 자신만 전송했다면 → 성공
2개 이상 노드가 동시에 전송했다면 → 충돌
충돌 시 이후 슬롯들에서 확률 p로 랜덤하게 재전송
- 이를 반복하다가 어느 슬롯에서 단독 전송이 되면 성공

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장점

한 노드만 활동 중이면 채널 전부 사용 가능
중앙 제어나 조정 장치 없이 작동 가능
시간 슬롯만 맞추면 비교적 구현 쉬움

단점

같은 슬롯에서 여러 노드가 전송하면 전부 실패
아무도 전송하지 않으면 슬롯이 낭비됨
프레임 끝까지 보내야 충돌 여부 알 수 있음
모든 노드가 정확히 같은 슬롯 타이밍을 공유해야 함

효율성

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최적의 전송 확률 p 사용 시에도 슬롯 효율의 최대는 1/e ≈ 37%
- 전체 시간 중 약 37%만이 유효한 전송에 사용됨

Pure ALOHA

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노드가 데이터를 가지면, 아무 때나 즉시 전송하는 방식. 시간 슬롯도 없고, 동기화도 필요 없다.

동작 방식

노드가 전송할 프레임이 생기면, 즉시 전송
만약 다른 노드가 근처 시간에 동시에 전송했다면 충돌이 발생한다.
충돌된 프레임은 손실되므로, 일정 시간 기다린 뒤 확률적으로 다시 전송한다.
최대 효율 = 1/(2e) ≈ 18%
- 채널이 오직 18%의 시간만 실제 유효 데이터 전송에 사용되고, 나머지는 충돌 또는 빈 시간으로 낭비된다.

충돌 범위

Pure ALOHA는 동기화가 없기 때문에 충돌이 더 쉽게 발생한다.
예를 들어 어떤 노드가 t_0에 전송을 시작했다면,
- 다른 노드가 [ $t_0 - 1$ , $t_0 + 1$ ] 사이에 전송한 프레임은 충돌하게 된다.
즉, 총 2배의 시간 구간(2T) 동안 충돌 위험 구간이 존재한다.

장점

전송할 데이터가 생기면 그냥 보내 구현할 때 매우 간단하다.
시간 슬롯 개념이 없어 동기화가 필요 없다.

단점

동기화도, 사전 감지도 없으니 충돌이 잦다.
최대 18%밖에 활용을 못 해서 효율성이 낮다.
충돌 후 재전송 때문에 지연 가능성이 크다.

CSMA

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전송 전 채널을 먼저 듣는(listen) 방식의 랜덤 접근 프로토콜

CSMA의 원리

‘듣고 말해라’
노드가 전송할 데이터가 생기면 먼저 채널을 감지(carrier sense)해서,
- 채널이 비어 있으면(idle) 바로 전송하고
- 채널이 사용 중이면(busy) 기다렸다가 나중에 시도한다.
사람과 이야기할 때 다른 사람이 말하고 있는지 듣고, 끝날 때까지 기다렸다가 말하는 것과 같다.
ALOHA는 무조건 전송해서 충돌 확률이 높은데, CSMA는 듣고 나서 전송하기 때문에 충돌 가능성이 낮아져 더 나을 수 있다.
하지만 멀리 있는 노드가 방금 전송을 시작했더라도 감지되기까지 시간이 걸리기 때문에 그 사이 충돌 발생 가능하다.

CSMA/CD

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동작 방식

전송 전에 채널을 듣는다(CS).
전송 도중에도 채널을 계속 모니터링한다.
충돌을 감지하면 즉시 전송을 중단하고, 잼 신호(jam signal)를 보내서 모두에게 알린다.
재전송을 위해 랜덤 시간 기다린 뒤 다시 시도한다.
사람과 이야기할 때 누가 같이 말하면 ‘잠깐’ 하고 멈추고 다시 순서 정해서 말하는 것과 같다.

장점

충돌 확률 낮고, 감지도 빨라 ALOHA보다 효율이 훨씬 높다.
프레임 전체를 전송하지 않고 중간에 멈추기 때문에 충돌이 발생하면 낭비가 적게 된다.
감지 정확도가 높아 유선 환경에 적합하다.

단점

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무선에서는 자신이 보내는 전파 때문에 충돌 감지가 어렵다(그래서 CSMA/CA를 쓴다).
멀리 있는 노드 간 충돌은 존재할 수 있다는 한계가 있다.
- ex, 노드 A가 전송을 시작했을 때, 물리적으로 멀리 떨어진 노드 B는 아직 그 신호를 감지하지 못할 수 있다. 그래서 B는 채널이 비어있다고 착각하고 동시에 전송을 시도한다. 결국 A와 B의 프레임이 중간에서 충돌한다.

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NIC가 프레임 생성, 네트워크 계층에서 온 데이터그램을 받아 프레임으로 감쌈
NIC가 전송 전에 채널을 들음
- idle(비어 있음): 바로 전송 시작
- busy(다른 노드 전송 중): 기다렸다가 idle 되면 전송
- 듣고 전송하는 CSMA의 기본 구조
충돌 없이 전송 완료하면, 끝
충돌 감지 시 전송 도중 다른 노드의 신호를 감지하면 충돌 발생으로 판단
- 전송을 즉시 중단하고, Jam signal (충돌 알림 신호) 전송
- 다른 노드에게도 충돌 났음을 알림
Binary exponential backoff (이진 지수 백오프)
- 충돌 후에는 랜덤 시간만큼 기다렸다가 다시 전송을 시도해야 함
- m번째 충돌이라면, 랜덤한 정수 K를 $\{0, 1, …, 2^m - 1\}$ 중에서 선택해야 함. 그 K 만큼 기다림
- 대기 시간 = $K \times 512$ 비트 전송 시간
- 충돌 횟수가 많아질수록 기다리는 범위도 커짐. 그렇게 되면 대기 시간이 증가하고, 점차 혼잡이 완화됨

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효율

전체 시간 중 실제 유효한 데이터가 전송되는 비율
전송 시도는 많지만 충돌이나 대기로 낭비되는 시간이 많으면 효율이 낮고, 충돌이 거의 없고 데이터를 잘 전송할 수 있으면 효율이 높음
$\text{Efficiency} = \frac{1}{1 + 5 \cdot \frac{T_{prop}}{T_{trans}}}$
항목 설명
- $T_{prop}$ : 전파 지연 시간 (propagation delay), 가장 멀리 있는 두 노드 간 신호가 도달하는 데 걸리는 시간
- $T_{trans}$ : 프레임 전송 시간 (transmission time), 최대 크기 프레임 하나를 보내는 데 걸리는 시간
노드간 거리(전파 지연)가 매우 작거나, 프레임 크기(전송 시간)가 매우 크면 효율이 좋아짐
- $T_{prop}$ 이 작을수록 충돌이 빠르게 감지되고 낭비 시간도 줄어듬
- $T_{trans}$ 이 클수록 충돌 감지 전송비용에 비해 유효 데이터 양이 많아짐

📡 순서 기반

Taking turns

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‘Taking turns’ 방식이 필요한 이유

Channel Partitioning (TDMA, FDMA)
- 모든 노드에 정해진 자원(시간/주파수)를 고정 배정함
- 공정하고 충돌 없음, 고부하 상황에서 안정적
- 하지만 낮은 부하에서는 비효율적 (ex, 노드 1만 전송할 데이터가 있어도 전체의 1/N만 사용 가능)
Random Access (ALOHA, CSMA)
- 노드들이 자유롭게 전송 시도, 자율적이고 단순
- 낮은 부하에서는 매우 효율적
- 고부하시 충돌 많아 성능 급락 (ex, ALOHA는 최대 18~37% 효율)
그래서 등장한 Taking Turns
- 두 방식의 장점만 골라 가져오기
- 노드 하나가 자유롭게 채널 전체 사용 가능
- 차례로 전송하므로 충돌 없이 공정하게 자원 사용 가능
- 순서대로 전송하므로 ALOHA처럼 충돌 없음
- 전송할 게 없는 노드는 넘어감

Taking turns: polling

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중앙의 마스터 노드가 각 슬레이브 노드에게 순서대로 "전송해도 됩니다"라고 허락을 주는 방식

동작 방식

마스터 노드가 슬레이브 노드들에게 라운드 로빈 방식으로 폴링 메시지를 보냄
폴링을 받은 노드는 전송할 데이터가 있으면 전송하고, 없으면 다음 노드로 넘어감
마스터가 전체 순서를 관리하므로 충돌이 발생하지 않음

장점

충돌이 없고 공정하게 채널을 분배할 수 있음
전송할 데이터가 없는 노드는 빠르게 스킵되어 효율적

단점

폴링 오버헤드: 마스터가 각 노드에게 "보낼 거 있어?"라고 물어보는 시간이 낭비됨
폴링 지연: 노드가 많아질수록 자기 차례가 오기까지 기다리는 시간이 길어짐
단일 장애점(Single Point of Failure): 마스터 노드가 고장나면 전체 네트워크가 마비됨

Taking turns: token passing

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전송 권한을 나타내는 특별한 프레임(토큰)을 노드들이 돌려가며 사용하는 방식

동작 방식

네트워크에 하나의 토큰만 존재함
토큰을 가진 노드만 데이터를 전송할 수 있음
전송이 끝나면 토큰을 다음 노드에게 넘김
전송할 데이터가 없으면 바로 토큰을 넘김

장점

중앙 마스터 없이 분산 방식으로 동작함
충돌이 없고 모든 노드에게 공정한 전송 기회가 주어짐
전송할 데이터가 많은 노드는 토큰을 오래 가지고 있을 수 있음 (설정에 따라)

단점

토큰 오버헤드: 토큰을 넘기는 데 시간이 소요됨
토큰 분실 문제: 토큰이 손실되면 전체 네트워크가 멈춤. 토큰 복구 메커니즘 필요
단일 장애점: 한 노드가 고장나면 토큰이 순환하지 못해 네트워크 마비 가능
지연: 노드가 많으면 토큰이 돌아오기까지 대기 시간이 길어짐